DE102007037474A1 - Verfahren und Anordnung zum Betrieb einer Erdwärmeanlage - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Betrieb einer Heizungs- und/oder Kühlungsanlage für Innenräume, wobei Wärme und/oder Kälte von einer Kompressionskältemaschine erzeugt und über Kältemittelleitungen gesteuert zu Innenraum-Heiz- und/oder -Kühleinheiten gefördert wird. Zur weiteren Verbesserung der energetischen Effizienz soll das bekannte Heizungs- und Kühlsystem mit einer Wärme- und Kälte-Erzeugung sowie Wärme- und Kälte-Speicherung verbunden werden, wobei Wärme und/oder Kälte zusätzlich von einer oder mehreren Erdwärmeanlagen über als Verdampfer oder Kondensator wirkende Wärmetauscher steuerbar in die Kältemittelleitungen abgegeben und/oder Überschusswärme- oder -kälte aus den Kältmittelleitungen in die Erdwärmeanlagen eingetragen wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass zusätzlich im Heizmodus Wärme aus witterungsunabhängigen Energiequellen über den Kältemittelkreis in das System übertragen und mit einem höheren Temperaturniveau über einen Wärmeübertrager aus dem Kühlwasserkreislauf zur Nutzung ausgekoppelt wird. Weiterhin im Kühlmodus zusätzliche Kälte über einen Wärmeübertrager von witterungsunabhängigen Energiequellen zur Verbesserungen der Kondensation im Lamellenwärmeübertrager und zur Unterstützung der Klimatisierung in den Kühlwasserkreislauf eingebracht und gleichzeitig Wärme aus dem Kühlwasserkreislauf ins Erdreich eingebracht und dort gespeichert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Betrieb einer Heizungs- und/oder Kühlungsanlage nach DE-Patent ( DE-PA 10 2007 016 212.1-16 )
  • Stand der Technik
  • Für die Klimatisierung und Heizung werden Kompressionskältemaschinen eingesetzt, die in der Lage sind, ein oder mehrere Innengeräte über einen Kältemittelstrom mit Wärme oder Kälte zu versorgen und die Außenluft als Energiequelle zu nutzen. Kältemaschinen, die mit einem Verbrennungsmotor angetrieben werden, geben die Abwärme des Verbrennungsmotors an den Kältekreislauf ab und stabilisieren somit die Heizleistung der Anlage besonders bei niedrigen Außentemperaturen. Wenn bei hohen Außentemperaturen Klimakälte benötigt wird, sind diese Anlagen in der Lage, über einen Wärmeübertrager im Kühlwasserkreislauf des Verbrennungsmotors gleichzeitig Wärme zu liefern.
  • Nach DE-Patent ( DE-PA 10 2007 016 212.1-16 ) wird vorgeschlagen, Wärme und/oder Kälte von einer Kompressionskältemaschine aus der Außenluft und mit Motorabwärme zu erzeugen und über Kältemittelleitungen gesteuert zu Innenraum-Heiz- und/oder Kühleinheiten zu transportieren und zusätzlich Wärme und/oder Kälte von ein oder mehreren Erdwärmeanlagen über als Verdampfer oder Kondensator wirkende Wärmeübertrager steuerbar in die Kältemittelleitungen abzugeben und/oder Überschusswärme oder -kälte aus den Kältemittelleitungen in die Erdwärmeanlagen einzutragen.
  • Zu Realisierung wird vorgeschlagen, dass eine Kompressionskältemaschine mit Wärmeübertragern für die Außenluft über Kältemittelleitungen mit ansteuerbaren Innen raumheiz- und/oder Kühleinheiten verbunden ist und ein oder mehrere Erdwärmeanla gen über ansteuerbare als Verdampfer oder Kondensator wirkende Wärmeübertrager in die Kältemittelleitungen eingebunden sind.
  • Ziel der Erfindung
  • Ziel der Erfindung ist, diesen energetischen Prozess weiter zu verbessern.
  • Charakteristik der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, in den bekannten Kältemittelkreislauf und Kühlwasserkreislauf der mit einem Verbrennungsmotor angetriebenen Kompressionskältemaschine eine witterungsunabhängige Energiequelle sowohl in den Kältemittelkreislauf als auch zusätzlich in den Kühlwasserkreislauf einzubinden.
  • Dies wird dadurch erreicht, dass erfindungsgemäß zusätzlich im Heizmodus Wärme aus witterungsunabhängigen Energiequellen über den Kältemittelkreis in das System übertragen und mit einem höheren Temperaturniveau über einen Wärmeübertrager aus dem Kühlwasserkreislauf zur Nutzung ausgekoppelt wird. Weiterhin wird im Kühlmodus zusätzlich Kälte über einen Wärmeübertrager von witterungsunabhängigen Energiequellen zur Verbesserungen der Kondensation im Lamellenwärmeübertrager und zur Unterstützung der Klimatisierung in den Kühlwasserkreislauf eingebracht und gleichzeitig Wärme aus dem Kühlwasserkreislauf ins Erdreich abgeleitet und dort gespeichert.
  • Als witterungsunabhängige Energiequellen sind besonders Grundwasserbrunnen, offene Gewässer, Abwasserkanäle oder Erdwärmesonden geeignet. Erdwärmesonden und Erdspeicher ermöglichen in dem Prozess die günstigste Speicherung von Energie.
  • Bei der Nutzung der witterungsunabhängigen Energiequelle wird die dort entzogene Energie dem System zusätzlich zur Verfügung gestellt und es kann auch im Winter bei geringen Außentemperaturen zusätzliche Wärme aus dem Kühlwasserkreislauf entnommen werden. Eine Verbindung einer Gasmotor-Luft-Wärmepumpe beispielsweise mit der Energiequelle Erdwärme erhöht im Heizbetrieb die Wärmeleistung und verbessert gleichzeitig die Effizienz der Primärenergieausnutzung.
  • Im Kühlbetrieb bei hohen Außentemperaturen muss die Wärme über dem Lamellenwärmeübertrager an die Außenluft und über den Wärmeübertrager zur Brauchwassernutzung aus dem Kühlwasserkreislauf abgeleitet werden. Da im Erdreich die Temperaturen geringer sind, wird die Wärme aus dem Kühlwasserkreislauf auch beispielsweise über Erdwärmesonden in das Erdreich abgeleitet. Hierbei entsteht der nützliche Effekt, dass die Wärme im Erdreich gespeichert wird und bei Bedarf im Heizbetrieb wieder entnommen werden kann. Dadurch wird erreicht, dass die Wärme im Kühlwasserkreis gesteuert zur Erhöhung der Effizienz im Heiz- und Kühlmodus eingesetzt wird.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die gasmotorischen Luftwärmepumpen sind serienreif entwickelt, für den Einsatz von Umgebungsluft und Verbrennungswärme als ausschließliche Energiequellen dimensioniert und für die Klimatisierung optimiert. Im Kühlmodus, also bei der Klimatisierung, besteht schon jetzt die Möglichkeit, die Wärme im Kühlwasserkreis zur Brauchwasserbereitung zu nutzen. Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird erstens im Heizmodus Wärme im Kühlwasserkreis zur Brauchwasserbereitung nutzbar und zweitens wird im Kühlmodus Wärme aus dem Kühlwasserkreis an das Erdreich abgeführt.
  • Daraus ergibt sich der Vorteil, dass mit geringen Veränderungen durch die Einbindung der Erdwärme auch im Heizmodus Brauchwasser mit Temperaturen von 65–80°C legionellenfrei bereitgestellt werden kann und dass im Kühlmodus wesentlich größere Wärmemengen im Erdreich gespeichert werden können, da die Speisetemperatur aus dem Kühlwasserkreis mit 65–80°C wesentlich höher liegt als die max. Wasservorlauftemperatur von 55°C, die aus dem Kältekreislauf durch die Kondensationsbedingungen des Kältemittels bereitgestellt werden kann.
  • Ausführungsbeispiel
  • Die Erfindung wird anhand der Zeichnung am Ausführungsbeispiel näher erläutert.
  • Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Heizungs- und Kühlungssystems einer Gasmotor-Luftwärmepumpe mit Erdwärmesonden.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Das Heizungs- und Kühlungssystem (sogenannte VRF-Systeme – Variable Refrigerant Flow – variabler Kältemittelstrom) besteht aus der Außeneinheit 17, in der die Ver dichtereinheit 6 und der Lamellenwärmeübertrager 4 mit Ventilator 5 enthalten ist, und aus mehreren Raum-Inneneinheiten 16, die den Lamellenwärmeübertrager 8 enthalten. Vor jeder Raum-Inneneinheit 16 ist eine Umschalteinheit 7 angeordnet. Die Außeneinheit 17 ist mit jeder Umschalteinheit 7 über drei kältemittelführende Kupferrohre 1; 2; 3 verbunden. Das sind die Saugleitung 1, die Druckleitung 2 und die Heiß-Gas-Leitung 3. Die Raum-Inneneinheiten 16 können bedarfsgerecht zur Heizung oder zur Kühlung über die Umschalteinheit 7 angesteuert werden. Bei simultanem Heizen und Kühlen wird die im Kühlbetrieb aufgenommene Wärmeenergie im System für den parallelen Heizbetrieb genutzt. Überschüssige Wärmeenergie wird aus dem System über den Lamellenwärmeübertrager 4 ausgetragen. In analoger Weise, wie die Innen-Raumeinheiten 16, werden auch die Wärmeübertrager 9 für die Erdwärmesonden 12, die die Wärme auf die Erdwärmesonde 12 und weiter auf das Erdreich 13 übertragen, an die Umschalteinheiten 7 angebunden. Bevor überschüssige Wärme über die Außeneinheit 17 an die Umgebungsluft abgeführt wird, wird die Wärme durch Kondensation über den Wärmeübertrager 9 für die Erdwärmesonde 12 dem Erdreich 13 zugeführt und damit Kälte dem System zugeführt. Die Wärme wird im Erdreich 13 gespeichert und steht so zur Unterstützung der Heizung zur Verfügung. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager 9 für die Erdwärmesonde 12 zur Verdampfung des Kältemittels eingesetzt. Neben der gespeicherten Wärme oder Kälte im Erdreich 13 steht dem System so auch die zusätzliche geothermische Energie zur Verfügung. Auch überschüssige Kälte kann auf analoge Weise im System mit Hilfe der Erdwärmesonden 12 gehalten werden, da vorrangig gesteuert zur Wärmegewinnung die Erdwärme eingesetzt wird und damit das Erdreich 13 abgekühlt wird.
  • Mit dem Steuermodul 14 werden die Umschalteinheiten 7 für die Raum-Innengeräte 16 und für den Wärmeübertrager 9 für die Erdwärmesonde 12 über ein BUS-System 15 bedarfsgerecht geschaltet und die Verdichterleistung darauf eingerichtet. Die Steuerung kann zielgerichtet zur Speicherung von Wärmeenergie im Erdreich 13 eingesetzt werden. Im Nachtbetrieb kann mit preiswertem Strom bei günstigen Umgebungstemperaturen Kälte im Erdreich 13 gespeichert werden, die dann am Tag aus den Erdwärmesonden 12 zur Unterstützung der Kühlung abgefordert werden wird.
  • Neben dem Wärme- und Kältetransport über die Kältemittelleitungen 1, 2, 3 wird die nutzbare Wärme erfindungsgemäß auch über das Kühlwasser mit einer Zirkulationspumpe 24 transportiert. Der Kühlwasserkreislauf 23 besteht aus dem Wasserkühler des Verbrennungsmotors 22, dem Lamellenwärmeübertrager 4, dem Wärmeübertrager für die Auskopplung von Wärme im Kühlwasserkreislauf 19, dem Wärmeübertrager für die Erdwärmesonde im Kühlwasserkreislauf 20, dem Druckausgleichsbehälter 25 und der Zirkulationspumpe für das Kühlwasser 24. Die genannten Objekte sind mit einer in sich geschlossenen Leitung verbunden. Im Lamellenwärmeübertrager 4 wird Wärme aus dem Kältemittelkreislauf sowie aus dem Kühlwasserkreislauf an die Außenluft und Wärme zwischen den beiden Kreisläufen getauscht.
  • Die Außeneinheit 17 ist mit der Verdichtereinheit 6, der mechanischen Kraftübertragung 26 zwischen Verbrennungsmotor 22 und Verdichtereinheit 6, dem Wasserkühler des Verbrennungsmotors 22 sowie der Kraftstoffleitung dargestellt. Neben der im Hauptpatent beschriebenen Steuerung der Wärme- und Kälteverteilung über das Kältemittelsystem werden zusätzlich die Energieverhältnisse im Kühlwasserkreislauf 23 zur Nutzung berücksichtigt. Die Betriebsbedingungen für den Verbrennungsmotor 22 werden durch die Wärmeverbraucher 4, 19 und 20 optimal gesteuert.
  • Bei Wärmeanforderung für Brauchwasser 29 wird diese vorrangig über den Wärmeübertrager 19 versorgt. Weitere Wärme wird über den Wärmeübertrager 20 im Erdreich 13 gespeichert. Erst wenn die Verbraucher 19 und 20 keine Wärme aufnehmen können, wird die überschüssige Wärme über den Lamellenwärmeübertrager 4 an die Außenluft abgeführt. Im Kühlmodus entsteht in der Regel ein Überangebot von Wärme, so dass in dieser Betriebsphase größere Mengen in dem Erdreich gespeichert werden können. Zur Vergrößerung des Speichers werden auch die Erdwärmesonden 12, die an den Kältemittelkreis angebunden sind, mit in den Kühlwasserkreis integriert. Die Anbindung erfolgt mit für den Fachmann bekannten Mitteln. Die Nennheizleistung der herkömmlichen Gasmotor-Luftwärmepumpe wird im Heizmodus ausschließlich auf die Umgebungsluft ausgelegt. Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird durch die zusätzliche Bereitstellung von Energie aus der Erdwärmeanlage die Heizleistung erhöht. Diese zusätzliche Heizleistung wird über den Kühlwasserkreis 23 an die Verbraucher 19 abgegeben. Die Funktion erfolgt analog wie im Kühlmodus, da die vorhandene Abwärme des Verbrennungsmotors 21 auch bei extremen Witterungsbedingungen nun nicht vollständig zur Verdampfung des Kältemittels eingesetzt werden muss. Die zusätzlich ins System eingebrachte Energie aus der Erdwärmeanlage ist im Gegensatz zur Umgebungsluft witterungsunabhängig.
  • Im Kühlmodus wird über die Wärmeübertrager 19 und 20 Wärme aus dem Kühlwasserkreislauf 23 abgeleitet, so dass die gesamte Motorabwärme nicht über den Lamellenwärmeübertrager 4 an die Umgebungsluft abgeführt werden muss. Mit dem Erdreich 13, mit offenen Gewässern oder mit dem Grundwasser stehen Wärmequellen mit Temperaturen unter denen des Kühlwasserkreises und auch unter denen der sommerlichen Außentemperatur zur Verfügung. Diese Wärmequellen können durch Abkühlung des Kühlwasserkreislaufs die Effizienz des Primärenergieeinsatzes bei der Klimakältebereitstellung verbessern. Insbesondere die im Erdreich gespeicherte Kälte wird so im System gehalten und kann effektiv genutzt werden.
  • Ebenso können mehreren eingebundenen Erdwärmesonden 12 oder ein Teil der Erdwärmesonden 12 zur Kälte- und der andere Teil zur Wärmespeicherung eingesetzt werden.
  • Als Erdwärmesonden 12 kommen Einfach- und Doppel-U-Rohr-Zirkulationssonden aber auch Kühl- und Verdampfererdwärmesonden zum Einsatz. Es ist ebenso möglich, andere geothermische oder solare Energiequellen zu nutzen oder Wärme- bzw. Kältespeicher zur Pufferung der Energie in das System zu integrieren.
  • In der Figur ist eine 3-Leitungsvariante dargestellt. Mit kompakteren Umschalteinheiten 7 ist das System in einer 2-Leitungsvariante realisierbar (www.mitsubishi-electric-aircon.de). Auch mit der 2-Leitungsvariante können Erdwärmesonden in das System integriert und gesteuert werden.
  • Das System ist mit verbrennungsmotorischen Verdichterantrieb und den eingebundenen Erdwärmesonden 12 betreibbar.
  • Bei gasmotorischem Verdichterantrieb erfolgt die Enteisung mit der Motorabwärme. Auf diese Enteisungsprozesse kann bei Nutzung der Erdwärme ganz oder teilweise verzichtet werden.
  • Bei dem Einsatz in Verdichteranlagen, die entweder für Heiz- oder für Kühlzwecke genutzt werden, werden die Wärmetauscher für die Erdwärme direkt in den Verdichterkreislauf eingebunden. In paralleler oder Reihenanordnung zu den Wärmetauschern für die Außenluft werden sie in Abhängigkeit von den Randbedingungen, wie der Außentemperatur, der Entzugstemperatur für die Erdwärme, bei gasmotorischen Antrieben von den Betriebsbedingungen des Motors, der Vereisung des Luftwärmetauschers gesteuert.
  • Die Erdwärmesonden 12 sind so auszulegen, dass sie mindestens den Energiebedarf für die Enteisung liefern sollten und maximal bei niedrigen Außentemperaturen die Wärmequelle Luft durch die witterungsunabhängige Wärmequelle mit höheren Temperaturen ersetzen sollten.
    • 1
    Saugleitung Kältemittel
    2
    Druckleitung Kältemittel
    3
    Heiß-Gas-Leitung Kältemittel
    4
    Lamellenwärmeübertrager
    5
    Ventilator
    6
    Verdichtereinheit
    7
    Umschalteinheit
    8
    Heiz- und Kühleinheit mit Ventilator
    9
    Wärmeübertrager für Erdwärmesonde
    10
    Zirkulationspumpe für Erdwärmesonde
    11
    Geländeoberkante
    12
    Erdwärmesonde
    13
    Erdreich
    14
    Steuermodul
    15
    BUS-System
    16
    Ramm-Inneneinheit
    17
    Außeneinheit
    18
    Sondenrohr
    19
    Wärmeübertrager für die Auskopplung von Wärme im Kühlwasserkreislauf
    20
    Wärmeübertrager für Erdwärmesonde im Kühlwasserkreislauf
    21
    Verbrennungsmotor
    22
    Wasserkühler des Verbrennungsmotors
    23
    Kühlwasserkreis
    24
    Zirkulationspumpe für Kühlwasser
    25
    Druckausgleichbehälter und Sicherheitsventil
    26
    mechanische Kraftübertragung
    27
    Kraftstoffleitung
    28
    Zirkulationspumpe für Brauchwasser
    29
    Brauchwasserspeicher
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102007016212 [0001, 0003]

Claims (3)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Heizungs- und/oder Kühlungsanlage für Innenräume nach DE-Patent ( DE-PA 10 2007 016 212.1-16 ), wobei Wärme und/oder Kälte von einer Kompressionskältemaschine aus der Außenluft und mit Motorabwärme erzeugt und über Kältemittelleitungen gesteuert zu Innenraum-Heiz- und/oder Kühleinheiten transportiert wird und dass Wärme und/oder Kälte zusätzlich von ein oder mehreren Erdwärmeanlagen über als Verdampfer oder Kondensator wirkende Wärmetauscher steuerbar in die Kältemittelleitungen abgegeben und/oder Überschusswärme oder -kälte aus den Kältemittelleitungen in die Erdwärmeanlagen eingetragen wird, gekennzeichnet dadurch, dass zusätzlich im Heizmodus Wärme aus witterungsunabhängigen Energiequellen über den Kältemittelkreis in das System übertragen und mit einem höheren Temperaturniveau über einen Wärmeübertrager aus dem Kühlwasserkreislauf zur Nutzung ausgekoppelt wird und/oder dass zusätzlich im Kühlmodus Kälte über einen Wärmeübertrager von witterungsunabhängigen Energiequellen zur Verbesserungen der Kondensation im Lamellenwärmeübertrager und zur Unterstützung der Klimatisierung in den Kühlwasserkreislauf eingebracht und gleichzeitig Wärme aus dem Kühlwasserkreislauf ins Erdreich abgeleitet und dort gespeichert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die aus dem Kühlwasserkreislauf ins Erdreich eingebrachte Wärme ein höheres Temperaturniveau aufweist und dort mit einer höheren Temperatur gespeichert wird.
  3. Anordnung zum Betrieb einer Heizungs- und/oder Kühlungsanlage für Innenräume nach DE-Patent ( DE-PA 10 2007 016 212.1-16 ), wobei eine Kompressionskältemaschine mit Wärmeüberträgern für die Außenluft über Kältemittelleitungen mit ein oder mehreren ansteuerbaren Innenraumheiz- und/oder Kühleinheiten verbunden ist, dass ein oder mehrere Erdwärmeanlagen über ansteuerbare als Verdampfer oder Kondensator wirkende Wärmetauscher in die Kältemittelleitungen eingebunden sind. gekennzeichnet dadurch, dass die Kühlwasserleitung der Kompressionskältemaschine in den Wasserkühler, den Lamellenwärmeüberträger mit den Kühlwasserkreisläufen der Wärmeverbraucher und mit witterungsunabhängigen Energiequellen eingebunden ist.
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Taschenbuch für Heizungs- und Klimatechnik, 72. Aufl., 2005/2006 … Recknagel-Sprenger-Schramek, ISBN: 3-486-26560-1, S. 1108-1110; *

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